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(通信与信息系统专业论文)wdm系统中相干粒了了数震荡效应诱导的慢光现象.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
2 0 1l sd i s s e r t a t i o nf o rm a s t e rd e g r e eu n i v i d :1 0 2 6 9 s t u d e n ti d :5 1 0 8 1 2 0 2 0 6 3 e a s tchin anor m a iuni v e r s i t y c o h e r e n tp o p u l a t i o no s c i u a t i o n si n d u c e d s l o wl i g h tf o rw d m s y s t e m s d e p a r t i i l e n t : q 望! 婴旦丛i 垒照q 望垦望2 i 望皇竺i 塾2 m a j o r : d i r e c t i o n : t u t o r :p r o f e s s o rx u ey a n h n 2 c a n d i d a t e : l iy u m i a o a p r i l2 0 1 1 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明:本人呈交的学位论文w 跳象铀干相干杜感嚷岛数硒手的幔芜蕊, 是在华东师范大学攻读硕壬博士( 请勾选) 学位期间,在导师的指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含其他个人已经发表或 , 撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说 明并表示谢意。 作者签名疰壁如日期:少f f 年岁月够旧 华东师范大学学位论文著作权使用声明 l i l 雕灸饶虹相干魁翊娘易务笈诱手i 约幔劾形锄 系本人在华东师范大学攻读 学位期间在导师指导下完成的碜生博士( 请勾选) 学位论文,本论文的研究成果归华东 师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文,并向主管 部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版:允 许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅;同意学校将学位论文加入 全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索,将学位论文的标题和摘要汇编出版, 采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密学位论文+ , 于 年 月 日解密,解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密,适用上述授权。 导师签名 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ,未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的,默认为公开学位论文,均适用 上述授权) 。 参加 鱼 抑 詹一 年 名n 签 坶 燧 洳 怔 奎堑盔硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 华东师范大学通信工程 刘锦高教授主席 系 华东师范大学通信工程 王蔚生副研究员 系 华东师范大学通信工程 韩定定副教授 系 摘要 目前的光通信系统是光电并存的,而非全光通信系统。如果光信号不转换到 电信号,将很难进行存储、交换、路由等处理。慢光( s 1 0 wl i g h t ) 效应由于具有 使光速变慢而且可控的性质,可以用于构造光纤延时器、光缓存、光开关、光交 换机与光路由等光器件,这些器件将是解决全光光纤通信系统和全光网络中路由 和交换问题的核心器件。因此,慢光技术也成为未来实现全光网的关键性技术之 一。 利用相干粒子数震荡( c p o ) 效应实现慢光具有延迟时间长的特点,是一种 行之有效的慢光实现方法。但在现有的利用c p o 效应实现慢光的工作中,基本 上所有的理论和实验工作都处理的是探测光与原子能级精确共振的情形。而在实 际w d m 系统中,所有信道中只有一个信道是与掺铒光纤中铒离子的能级共振 的,其它信道都处于非共振的情况。除非逐一对每个信道实行波长转换,否则除 一个信道外的其它所有信道都只能处于非共振的情况。因此,研究非共振情况下 的慢光成为必需。 本文采用了相干粒子数震荡( c p o ) 效应实现慢光,并对该效应在产生慢光 时的群折射率、时延、带宽、延迟带宽积、色散以及非线性等理论进行推导和分 析,通过使用m a t l a b 仿真得出c p o 效应诱导慢光的特性( 包括群折射率、时延、 带宽以及延迟带宽积) ,并根据仿真结果分析总结出c p o 效应诱导慢光的的特 点,最后,以高斯脉冲为研究对象分析光在介质中的传输过程。 本论文的创新之处在于:在理论上将c p o 效应的研究范围由以往的共振区 域拓展到非共振区域的一般情况,发展出既适用于共振条件又适用于非共振条件 的c p o 效应诱致慢光的一般理论。并对共振与非共振条件下的慢光现象仿真, 对其结果进行对比分析。我们的研究发现:在适当的条件下,一些非共振区域的 时延较共振条件下的时延更长。针对基于c p o 效应的慢光具有的时间延迟长、 但带宽相对较窄的特点,我们讨论了慢光的带宽问题,仿真出相应于各个w d m 波长的时延与带宽,并得到时延带宽积。我们的研究发现:当探测光处于与原子 能级非精确共振的状态时,系统的带宽有可能被提高。 i i 关键词:慢光、c p o 、非共振、时延带宽积 i a b s t r a c t i l lm ec 哪e n to 埘c a lc o m m 眦i c 撕0 ns y s t e r i l s ,o 皿c a ls i 印a j sh a v et ob e c o n v e n e di n t oe l e c t r i c a ls i 驴a l sf o rt i l ed a l as t o 弼e 锄dr o u t i n g t k sw i l li n t r o d u c e t l l es oc a j l e de l e c t r i c a lb o t t l e n e c kf o r 也ed a t ar a 土e o p t i c a lb u f r e r i n g ,w 1 1 i c hc a n l a r g e l yi n c r e 嬲et h ed a t ar a t e ,m a yb ea c l l i e v e db ym a k i n gu s eo ft h ec o n 仃d l l a b i l i 够o f l i g h ts p e e d t h es l o wl i 曲tb e c o m 嚣o n eo f l ek e yt e c h n o l o 季e sf o ra l l - o p t i c a l c o m m l m i c a d o n s t h i sp 印e rp r e s e m ss l o wl i 曲ti 1 1 d u c e db yc p oe f j 眙c tf o rw d ms ) r s t e l 璐, 锄a :i y z e sn l e l e o 黟0 fc p o 锄di n 仃o d u c e ss o m ek 锣p a r a m e t e r ss u c h 淞r e l 撕v e m o d u l 撕o n a n 锄删。玛g r o l l p r e f t i v ei n d d e l 夥, b a n d 、) ,i d m趾d d e l 巧- b 锄d 谢d mp r o d u c to fs l o wl i g h tb a s e d0 nc p o t h 胁,w ed e m o n s t a t en l er e s u l 协 、i t l ls o m ef i g u r e s 删挝eb ym a t l a b 锄ds 眦1 n l 撕z em ec h 嬲l c t e r i s 石c so fs l o wl i 曲t f i n a l l yt 1 1 i sp a p e rd i s c u s 懿l i g h t 仃a n s r n i s s i o ni nt h em e d i aw i l hm eg a i l s s i a np u l s e 锄a l y s i sf o rm es t u d yo fl i g h tt r a i l s l l l i s s i 册i nn l em e d i a lo ft l l ep r e s 朗te x p e r i m e l l t sa n d 吐l e o d e s0 fm es l o wl i 曲tb 舔e du p o nt t l ec p o e 胞c td e a l 谢m 吐l er e s o n 锄ts i t u 撕0 n 、) v ! h e r et h ep 删叩f e q u 朗盯e x a c u y 眦t c h 鹤缸l e g a po fm ee n e r 鳃l e v e l so fa c 缸v ea t o m s h o w e 、,e r ,i i law d ms ) ,s t e i i l ,t i l e r e 函s t m 锄yc h 锄e l s 谢t 量ls u b s e q u 锄t 、v a v e l e n g t 量l s u i l l 髓st a l d n gw a v e l e n g lc o n v e l l s i o n 0 n ec h 锄e lb ,r0 n ec h 猢d ,o m e n 肮s eo i l l y0 n e 出猢e lw a v e l 朗g 吐l 、) i ,i 蚰na l l 也e c b a n n e l sn 均触e sm er e s o n a n tc o n d i t i o na n da l lt l l eo t l l e fc h 锄e l sw o d ci i lt l l e o 昏r e s 0 n 锄t1 1 昭i o n s i i l c ei ti sc o s t l y 锄dn o tn e c e s s a 黟t oc o n v e na l lo 胙r e s o n 锄t w a v e l 胁g t h st ob er e s 0 n 锄t ,i ti sn e c 懿s a 秽t o 岫d e r s 伽db o t l it 量1 er 豁o n a n ta n d o f r - r 懿o n a n ts i t u a t i o n s i nt l l i sw o r k ,m ec p o 1 e 0 巧o fs l o wl i g t l ti se ,【t 印d e dt oc o v 日 b o mr e s o m n c e 锄do 仃i i 懿o n 锄c e a tl 舔t ,w ed i s c u s st i i eb 锄撕d t 量l0 fs l o wl i 曲t 锄d s i m u l a t ed e l 掣锄db 锄d 诵d m ,趾d 谢ld e l 缈- b 锄d 诵d t l lp r o d u c tc 0 麟p o n d i n gt 0 e a c hw d m w a v e l 肌g n l w h 锄吐l ep r o b el i g h ti sn o t 螨o n 锄t 州也t l l es y s t e 地t l l e b 锄d v v i d lm 科b ei n c r e 雒e d 1 饪w o r d :s l o w “g l l t ,c p o ,o 昏1 1 箦0 n a n t ,d e l 巧- b 锄d 谢d t l lp r o d u c t i v 目录 第一章引言1 1 1 慢光的研究背景1 1 2 本文的研究内容和创新点2 1 3 本文的结构安排4 第二章慢光的基本原理及实现5 2 1 慢光的基本原理5 2 2 慢光的实现方法6 2 2 1 利用e i t 效应实现慢光6 2 2 2 利用受激散射实现慢光8 2 2 3 利用光子晶体波导实现慢光9 2 2 4 利用c p o 效应实现慢光9 2 3w d m 系统1 6 2 4 小结】9 第三章c p o 效应下的慢光研究2 0 3 1 两能级系统与光场的相互作用2 0 3 2 两能级系统中c p o 效应一2 4 3 2 1 两能级系统中c p o 效应的理论分析2 4 3 2 2c p o 效应下光在介质中的一些特征参数2 7 3 3 小结3 1 第四章w d m 系统中c p o 效应下的慢光现象。3 2 4 1 不同失谐下的时延3 2 4 2 不同失谐下的带宽3 9 4 3 不同距离长度下的时延与带宽4 2 4 4 光在介质中的传输4 7 4 5 小结5 0 第五章总结和展望。5 l 参考文献5 2 攻读硕士学位期间所发表的学术论文5 5 声明5 6 v 致谢。5 7 华东师范大学硕士学位论文w d m 系统中相干粒子数震荡效应诱导的慢光现象 1 1 慢光的研究背景 第一章引言 与传统的电气通信相比,光纤通信因具有传输频带宽、通信容量大: 传输损耗低、中继距离长;线径细、重量轻,原料为石英,节省金属材料, 有利于资源合理使用;绝缘、抗电磁干扰性能强;抗腐蚀能力强、抗辐射 能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点而逐渐成为现代通 信的主要支柱之一,在现代电信网中起着举足轻重的作用。随着i n t e m e t 的迅速 普及以及宽带综合业务数字网( b - i s d n ) 的快速发展,人们对网络带宽的需求呈 现出爆炸性的增长。但目前的光通信系统是光电并存的,而非全光通信系统。如 果光信号不转换到电信号,将很难进行存储、交换、路由等处理f 。由于受限于 电子器件的工作速率,难以将光纤通信系统巨大容量的特点充分出来,实现高速 宽带综合业务的传送和交换处理,因此,“电”成为传输速度进一步提高的瓶颈, 解决这个问题的唯一方法就是放弃使用电子器件,全部改用光器件,实现光纤通 信系统的全光化。 慢光( s l o wl i g h t ) 效应由于具有使光速变慢而且可控的性质,可以用于构造 光纤延时器、光缓存、光开关、光交换机与光路由等光器件,这些器件将是解决 全光光纤通信系统和全光网络中路由和交换问题的核心器件。因此,慢光技术也 成为未来实现全光网的关键性技术之一。 慢光的基本应用之一是光缓存器。所谓光缓存器是可将光信号暂存于其中并 且在控制下进行写入和读出的装置。图卜1 为一个n 州的全光交换机,任一个端 口的信号都可以动态的交换到其他端口。但是,如果两个数据包同时到达,光交 换机仅能处理一个数据包,因此将会引起数据包冲突,甚至引起数据包的丢失。 使用光缓存器即可很好地解决这个问题。在光交换机处理其中一个数据包时,利 用一个可控的慢光介质使光缓存器存储另一个数据包可以避免数据包冲突。 华东师范大学硕士学位论文w d m 系统中相干粒子数震荡效应诱导的慢光现象 aaaa 。 a aaa 可控馒光介凄 图1 1 慢光效应下的光交换机处理 目前,通过使用非线性手段获得材料色散的改变是一种主要的获得慢光的方 法。这些非线性手段包括电磁感应透明( e i t ) 、相干粒子数振荡( c p o ) 和受激 散射效应等。其中e i t 方法要求精确的量子干涉效应,必须工作在低温环境或使 用低密度原子气体,因而具有很大的局限性】。相比之下,后两种方法则可以 在室温环境下实现慢光。此外,基于c p o 原理的技术对于光速的可控范围更广, 产生的光时延更大可达毫秒数量级。而s b s ( 受激布里渊散射) 方法产生的延 迟目前只能达到纳秒数量级【l l 。本文主要讨论利用相干粒子数振荡( c p o ) 效应 在w d m 系统中实现慢光。 1 2 本文的研究内容和创新点 在现有的利用c p o 效应实现慢光的工作中,基本上所有的理论和实验工作 都处理的是探测光与原子能级精确共振的情形。尽管由于可调谐激光器的普及, 一般情况下让探测光与原子能级精确共振已不是十分困难。但当我们用掺铒光 纤、并利用c p o 效应实现慢光时,最可能的应用环境是通信系统中。现有的光 纤通信系统都是w d m 系统。在这个系统中,所有信道中只有一个信道是与掺铒 光纤中铒离子的能级共振的,其它信道都处于非共振的情况。除非逐一对每个信 道实行波长转换,否则除一个信道外的其它所有信道都只能处于非共振的情况。 华东师范大学硕士学位论文w d m 系统中相干粒子数震荡效应诱导的慢光现象 因此,研究非共振情况下的慢光成为必需。 此外,带宽是光通信系统中衡量系统性能的一个重要指标。尽管利用c p o 效应实现的慢光在光速降低的程度上优于一些其它的方法,但其相对窄的带宽成 为其走向实用过程中的掣肘。在我们的研究中,我们发现:这一带宽是有可能被 提高的。各个失谐量下均有两个拍频对应的时延为零,在我们的工作中定义带宽 为这两个拍频差。比如,在传输距离为l = 6 0 i i l ,归一化的泵浦光强度因子j = o 7 5 的情况下,带宽可以从共振条件下的2 5 6h z 增加到7 0 0h z ( 此时失谐量为3 ) 。 可以说,目前带宽的提高尚不是突破性的,但毕竟为我们打开了思路,这就是带 宽是有可能被提高的。 因此,全面了解共振和非共振情况下c p o 效应诱致的慢光现象并进行对比 是十分必要的。针对这些问题,本文利用半经典的密度矩阵方程和光束传播理论, 进行理论推导与计算,在理论上将c p o 效应的研究范围拓展到非共振区域的一 ! 般情况,发展出既适用于共振条件又适用于非共振条件的c p o 效应诱致慢光的 理论,最后使用m a t l a b 软件对于理论计算进行模拟仿真,得到了w d m 系统中 各个信道的不同的群速度、带宽、以及时延带宽积。更重要的是,我们发现:带 宽,这个限制了基于c p o 效应所产生的慢光被进一步实用化的因素,是可以进 一步被提高的。 本论文的创新之处在于: 1 )我们采用半经典方法,发展了一个既适用于共振状态、又适用于非共振状 态的一般性理论,研究掺铒光纤中基于c p o 效应的慢光现象。对于现有 的基于w d m 技术的光通信系统,这一理论适用于讨论w d m 系统中各 个信道的不同的慢光现象。通过对共振与非共振条件下慢光现象的仿真, 我们发现:一定条件下,非共振区域的时间延迟可能比共振区域的时延更 长。 2 ) 针对基于c p o 效应的慢光具有的时间延迟长、但带宽相对较窄的特点, 我们讨论了慢光的带宽问题,仿真出相应于各个w d m 波长的时延与带 宽,并得到时延带宽积。我们的研究发现:当探测光处于与原子能级非精 确共振的状态时,系统的带宽有可能被提高。对长度三= 6 0 m 的掺铒光纤, 华东师范大学硕士学位论文w d m 系统中相干粒子数震荡效应诱导的慢光现象 在非共振状态下,带宽为7 0 0h z 。相比于共振条件下取得的2 5 6h z 带宽 的结果提高了约2 7 倍。 1 3 本文的结构安排 本文首先介绍慢光的基本定义、原理及各种实现方法,然后分析c p o 效应 的研究概况及两能级系统下的c p o 效应诱导慢光原理,再讨论在w d m 系统中, c p o 效应下的慢光现象,根据传播方程算出不同失谐下的时延与带宽,并用 m a t l a b 仿真出共振与非共振条件下c p o 效应诱导慢光结果进行对比,最后针对 分析结果提出一些改进方案。 华东师范大学硕士学位论文w d m 系统中相干粒子数震荡效应诱导的慢光现象 第二章慢光的基本原理及实现 2 1 慢光的基本原理 单一频率的正弦电磁波的等相面( 例如波峰面或波谷面) 在介质中传播的速 度为相速度2 高其中c = 3 1 0 8 形为自由空间中的光速,甩o ) 为介质对 该频率电磁波的折射指数,在正常色散的情况下相速度u ,不可能超过c 。实际中 存在的波并不是单频的,因此这些波在经过介质时必然出现色散现象,那么,传 播中的电磁波由于包含各不同频率的成分导致前进快慢不一致。故而会出现扩散 现象,但假若这个波是由一群频率差别不大的简谐波组成,这时在相当长的传播 过程中总的电磁波仍将维持为一个整体,以一个固定的速度运行。这个特殊的波 群称为”波包”,这个速度称为群速度。 光脉冲在介质中的群速度为: 驴丽礞= 瓦 1 ) 其中刀。为群折射率,堡掣为群折射率的变化率。 6 口d 由此可见,当群折射率的斜率为正时,即掣 。, o ) 才会出现, 口d 快光则仅产生于反常色散区域内( 鱼掣 较早测量e i t 系统的色散特性使用m a c h z e h n d e r 干涉仪对热铷原子气体用 接近5 西2 _ 5 岛2 频率的波得到= 1 3 2 。不久胁a p i 、j a i n 、y i n 和h 枷s 利用e i t 技术测量纳秒脉冲通过热1 0 册长的肋原子气盒得到= c 1 6 5 ,德国 h 锄o v e r 大学的s c h i l l i d t 研究小组在。原子气中使光速减慢为3 0 0 0 州s 【1 2 1 。 曩 美国s t a l l d f b r d 大学h a 玎i s 小组用冷却到接近绝对零度的钠原子气体作介质, 用特定波长的激光激发,将使口原子处于一种特殊的相干态( 减低吸收) ,成功 地提高了介质的折射率并使介质的非线形效应增强,由此群速度随控制场的下降 而下降。当群折射率为1 0 7 数量级时实验的群速度为3 2 5 州s ,在另一条件下群 速度可达到1 7 州s 【1 3 】。 利用e i t 技术,k a s h 、s a u t e n k o v 、z i b r o v 、h o l 卜b e 唱、w e l c h 、l u l ( i n 、r o s t 0 、r t s e v 、 f 巧和s c u u y 在相干驱动的铷原子蒸汽( 丁= 3 6 0 k ) 中做类似的实验,获得了 咚9 0 ,形s 的慢光速,相应的时间延迟为o 2 6 ,榔1 5 1 。并指出冷原子与热原子的 区别在于多普勒加宽的大小,其关键在于扼制由原子的运动以及偶然磁场所造成 能级的塞曼分裂进而导致的谱线加宽并以获得窄的e i t 共振。利用调制技术直接 测量气体的色散特性而推算出群速度为9 0 州s ,在热原子中当耦合光强足够大 时,多普勒效应并不重要,通过增加激光束半径来减小原子的两个低能级之问的 相干衰减率,可得群速1 0 m 厶。利用相似的技术,b u d k e r 、磁m b a l l 、r 0 c h 镐t e f 和y 私h c h u l 【在铷原子气体使用中推算出群速度为8 州s 。 华东师范大学硕士学位论文w d m 系统中相干粒子数震荡效应诱导的慢光现象 e i t 由于其工作原理本身具有一定的局限性:首先,由于e i t 效应需要精确 的量子干涉效应,因此必须工作在低温条件下或使用低密度原子气体环境,否则 将有更多的原子碰撞导致原子系统谱线加宽。其次,因为e i t 源于在原本并不透 明的介质中,因此要获得理想的透明度,只有在确切的共振条件下,即当频率失 谐为零时e i t 才能有效地产生慢光。当探测光有一定失谐时,e i t 中的量子干涉 变得较弱,从而导致介质有一定的吸收性进而很大程度上减少慢光现象。因此, 出现在吸收谱中的透明窗是很窄的1 6 1 。 2 2 2 利用受激散射实现慢光 受激散射是一种在光纤中发生的非线性效应。介质中的介电常数地方性的高 速变化导致散射。在强功率条件下,这种介电常数的快速变化是由于两种不同频 率励磁的光场同介质励磁相互联结而产生,这种散射称之为受激散射。受激散射 主要有受激布里渊散射s b s 、受激拉曼散射s i 毽。 s l 塔可以看作是介质中分子振动对入射光的调制,对入射光产生散射作用。 这样当一定强度的光入射到光纤中时会引起光纤材料的分子振动,调制入射光强 产生了间隔恰好为分子振动频率的边带,低频边带的斯托克斯波强度高于高频边 带的斯托克斯波。s b s 与s l 峪在物理过程上相似,入射频率为缈。的泵浦光将一 部分能量转移给频率为国。的斯托克斯波,并发出频率为q 的声波,其中 q = 国。一国。受激布里渊散射产生的斯托克斯波传播方向与泵浦波相反。这种散射 要求一定的增益带宽和泵浦强度。在信号放大的过程也伴随折射率变化率的快速 变化,可以通过改变泵浦光的强度从而从而实现慢光【1 7 1 。 华东师范大学硕士学位论文w d m 系统中相干粒子数震荡效应诱导的慢光现象 键 布里渊信号印 拉妻蓼 照 删f 声波 图2 2 布里渊散射与拉曼散射的对比 泵漓 审 在光纤中利用受激布里渊散射实现慢光最早由djg a u m i e r 于2 0 0 4 年提出, 2 0 0 5 年kys 0 n g 等人第一次在光纤中使用s b s 技术使1 0 0 l l s 的光脉冲延迟了 3 0 n s 【埔】;2 0 0 7 年,zmz 1 1 u 等人利用s b s 技术将光纤中的慢光带宽提高到了 1 2 6 g h z ,并且将7 5 p s 的光脉冲延迟了4 7p s 【1 9 1 。s b s 产生可控慢光时延已经在 常规电信光纤中得以实现,并将慢光产生的带宽从l o o z 提高到l g h z 甚至为 l o g h z 的电信带宽。由s r s 方法在光纤中产生的带宽足以支持高速数据传输。 舢e x 锄d e rl g a e t a 小组获低于微微秒级的脉冲的慢光时延,为1 t b s 的超高速的 数据网络作准备。 。 s b s 效应诱导慢光的方法其优点在于它可以在任意波长处实现慢光,只需要 改变泵浦光的波长即可,此外,通过调整泵浦光的功率,可以实现对信号的可变 延迟。不过s b s 的固有特性也直接导致它的不足,即慢光的延迟有限并且带宽 较窄。 2 2 3 利用光子晶体波导实现慢光 光子晶体的概念首次于被1 9 8 7 年提出,它是一种在光学尺度上具有周期性介 电结构的人工设计和制造的晶体。光子晶体具有光子带隙p b g ( p h o t o i l i cb 锄d ( 却) 和缺陷态两种关键特征。利用f d t d 有限时域差分法近似求解麦克斯韦方程, 将可以得到光子晶体的能带如图2 3 所示。所有能量( 频率) 处在光子带隙内的 光子均无法通过光子晶体传播。但如果在光子晶体中引入一个或几个线缺陷( 图 华东师范大学硕士学位论文w d m 系统中相干粒子数震荡效应诱导的慢光现象 2 4 ) 破坏其原有晶体的周期性,使得原光子带隙中出现频率很窄的缺陷态( 图 2 3 中实线) ,这样与缺陷态相对应的光子就可以通过缺陷位置传播。图2 3 详 细说明,随着波数的增加,导光的群速度d 坟= d z r 将逐渐变小,即产生慢光。 , 就是因为光子晶体独特的光子带隙特性可控制光子的运动速度,它才有可能作为 波导材料形成光子晶体波导进而实现慢光1 2 0 】。 波皴【溉曩】 a 为最格鬻数。2 r 为气孔直径 图2 3 具有缺陷的光子晶体能带图2 4 引入缺陷的光子晶体 1 9 9 6 年ms c a l o f a 等人首次在一维光子晶体带隙结构中发现了光脉冲的延迟 现象,从而为光子晶体慢光的研究指明了方向。最近几年,光子晶体慢光技术的 研究在理论以及实验上都取得了飞速进展。在光子晶体材料中研究慢光的方法有 很多,其中最典型的是光子多次反射模型法、数值模拟光脉冲传输法以及等效折 射率推导法。2 0 0 5 年,i b m 研究中心利用集成在硅芯片上的低损耗硅光子晶体 波导将群速度降低到= c 3 0 0 并能快速高效地控制群速度。目前,基于光子晶 体的慢光研究中,最好的结果是:光子晶体波导静态的时延带宽积为3 0 ,其中 带宽为2 5 1 1 z 。利用一维、二维以及三维光子晶体均可实现慢光,但在目前而 言二维光子晶体是主流研究方向。并且由于静态光子晶体实现慢光的局限性,人 们的关注方向逐渐转为研究动态光子晶体的慢光。经研究发现,利用动态光子晶 体可以获得更长的光脉冲延迟,因而具有更大的应用价值。此外,利用s b s 诱 导慢光的机制移植到高非线性光子晶体光纤上以及基于负折射率材料的慢光都 是很有发展前景的研究方向【2 1 1 。 华东师范大学硕士学位论文w d m 系统中相干粒子数震荡效应诱导的慢光现象 同其他产生慢光的方法相比较而言,基于光子晶体的慢光技术的优势在于一 下三点:第一,潜在的延迟带宽积比较大;第二,光子晶体的增益或者吸收与慢 光产生处的频率相对独立,光子晶体结构材料设计灵活,通过改变结构参数可以 再任意波长上实现慢光:第三,光子晶体结构材料器件体积小,便于与现有的光 通信器件集成,因此成为慢光领域研究热点。但同时基于光子晶体慢光技术也有 其他诸如色散和损耗等等需要解决的问题。 2 2 4 利用c p o 效应实现慢光 所谓c p o 效应,即是在饱和吸收材料中,利用一束强功率的泵浦光缈。与一 束频率稍有差别的信号光束q 相互作用,两者拍频万= 功,一缉等于原子系统的谐 振频率,从而导致了粒子数在基态与激发态间的谐振,又称为相干振荡【矧。相 干粒子数振荡可以产生大的折射率变化率,获得很大的群折射率进而产生慢光。 1 9 6 7 年,s c h w a r t z 同t 锄通过分析动力学密度矩阵方程首次提出基于c p o 效应产生“烧孔”的预测1 4 ,笠- 2 6 1 ,这一重大发现为c p 0 效应诱导慢光的研究奠定 了基础。1 9 8 3 年,h i l l m a n 等人首次在红宝石晶体中观察到了这一“烧孔”现象 【5 2 捌。接着利用c p o 效应实现慢光的实验在各种材料中得到证实。 2 0 0 2 年,b i g e l o w 等人利用红宝石晶体在室温条件下实现了慢光的传输,接 着次年在紫翠玉晶体中同样实现了快慢光的传输2 5 1 ,其实验装置如图2 5 所示 【。实验中使用五。= 5 1 4 5 l 珊的氩离子激光器作为光源。光波首先通过一个可变 衰减器,然后进入一个电光调制器。调制器由一个函数发生器来驱动,以提供实 验所需的各种宽度的光脉冲。然后,在光束到达红宝石晶体之前,由一个分光镜分 出5 的输入光到一个光检测器作为参考。余下的光则通过一个透镜聚焦成8 4 岬 的细窄光路到一个长己= 7 2 5 c m 的红宝石细杆的端。红宝石是一种单轴晶体, 实验中可以通过旋转它来使它与光的交互作用最大化。光波与红宝石相互作用之 后输出到另一个光检测器中,它与之前检测的参考光一起输人数字示波器进行比 较,最后数据输入电脑计算出前后两路光信号的幅度和延迟等数据。快慢光在红 宝石和紫翠玉晶体中的传输实验结果如图2 6 及2 7 所示。在红宝石的实验中, 当泵漓功率为尸= 0 2 5 w 时,可以得到最大延迟为f = 1 2 6 l l l s ,相应的群速度达到 华东师范大学硕士学位论文w d m 系统中相干粒子数震荡效应诱导的慢光现象 最小为珑= 5 7 5 眺【4 1 。通过调节泵浦光的功率尸与调制输入光的频率艿可以控制 群速度以及延迟的量。从图2 6 可以看到,较高的泵浦功率可以获得更长的延迟, 并且当调制频率超过3 0 0 h z 时,延迟几乎下降为零。b i g e l o w 等人的文章曾提到, 在红宝石晶体中,甚至不用提供独立的泵浦光和探测光,一个单独的光脉冲信号能 够为自己提供减速和延迟。但是在这种情况下,由于单一光脉冲信号所对应的色 , 、 散曲线的变化较缓,对应的群折射率的变化率竺掣较小,则群速度的值较大, d d 从而导致延迟的量较小,因而此时慢光效果不会太好。在紫翠玉晶体的实验中, 华东师范大学硕士学位论文w d m 系统中相干粒子数震荡效应诱导的慢光现象 图2 6 利用红宝石观察慢光实验结果图2 7 利用紫翠玉晶体观察慢光实验结果 人们对于基于c p o 效应的慢光现象的研究并不止于此。2 0 0 4 年,p c k u 等 人声明在量子井半导体结果中观察到的慢光现象,通过分析得到群速度可达到 坟:9 6 0 0 n 以【2 瑚】。 随后,e b a l d i t 等人也在掺铒晶体、掺铒光纤等材料中观察到基于c p 0 效应 的慢光现象5 ,矧,其实验装置如图2 8 所示f 。其装置中光源使用波长 五。= 1 5 3 6 1 啪、线宽为2 k h z 的持续波光纤激光器,利用半波片聊l 和偏正 分光器p b s 共同控制激光器的功率,经过声光调制器a o m 调制成波形的光脉 冲信号。调制后的光通过分光器分成2 路,其中一路作为参考光路,另一路通过 一个透镜聚焦到掺铒光晶体中去,将此路输出的光信号由一个l n q 山检测器接 收并与参考光路中的信号作比较。2 0 0 5 年,e b a l d i t 发表文章中声称,利用c p o 效应在掺饵晶体中可以得到2 甜 z 的窄“烧孔”。这一“烧孔”引起的大群折射 率导致产生很小的群速度,实验结果表明利用c p o 效应在掺饵晶体中得到的群 速度可达到= 2 7 l l 以。 华东师范大学硕士学位论文w d m 系统中相干粒子数震荡效应诱导的慢光现象 图2 8 利用掺铒晶体观察慢光装置 2 0 0 5 年,p e n g f e iw u 与d v g l lnr a u d 在室温下的生物细菌视紫红质薄膜中 观测到慢光现象,其结果达到= o 0 9 l 删眺可以比拟蜗牛的速度,这也是目前 在各种材料中所得的最低的光速【3 ”刁。通过结合一个灵活的光致异构化过程中的 独特特性与相干粒子数振荡效应,可以在不需修改的入射脉冲的特性的条件下, 使全光控制下的速度达到一个巨大的跨度。由于在生化系统的光致反应存在大量 量子产率,使得在微瓦级功率条件即在低光水平下就可以观察到超慢光,这表明 此种方法获得慢光具有高能源效率。 图2 9 ( a ) 表示细菌视紫红质( b r ) 的周期环。b r 的初始b 态,即光适应 状态,视网膜生色发生在稳定的全反式分子结构,并在5 7 0 咖处的存在吸收带。 当黄色的光激发下,生色团经历光致异构化作用。这将初始化一系列的b r 分子 的结构认证。这些分子通过短寿命状态的k 、l 中间状态到相对长寿命m 态。在 m 状态下的b r 分子具有顺式异构体的结构,并在4 1 0 瑚处存在吸收带。从相对 长寿命m 状态,分子自发的逐步通过n 、o 状态恢复到初始状态b 。m 状态也可以 通过直接与蓝光激发恢复到初始状态。该薄膜的光化作用的稳定性,使得m 、b 状态间的切换可以在低功率条件下进行。其m 状态的寿命取决于再质子化过程。 由于其独特的优势,细菌是几个最适合低功率非线性光学材料之一。当使用光源 波长接近b 和m 波段,在b r 光循环中最相关的状态是b 和m 异构体,因为剩余 的短寿命的中间状态的离子可以忽略不计。因此,我们用简单的双能级模型近似 b r 的感光动态,如图2 9 ( b ) 。 华东师范大学硕士学位论文w d m 系统中相干粒子数震荡效应诱导的慢光现象 一_ 。fik 。 lr 腿 厂。 一s 2 惶乒 ( a ) 秘) 图2 9 ( a ) 细菌视紫红质的周期环( b ) 等价两能级系统模型 图2 - 9 ( a ) 中,分子通过光子 激发经过短寿命的中间状态到达比较长 寿命m 态。分子通过寿命大约为5 m s 的热弛豫回到b 态与或蓝色光子办激化光 化作用恢复到b 的状态。在细菌视紫红质b r 中,“烧孔”由状态b 与状态m 之间 的分子群周期调制所引起。使用电光调制器对a 卜k r 激光输出进行调制频率,所 产生的脉冲包含泵涌因子e p 一肼以及探测光e p 一如 ,。其中,拍频万= 2 万表 示探测信号对泵浦频率刃的失谐。而正是探测信号与泵浦信号之间的拍频导致 状态b 与状态m 之间粒子相干振荡。这种震荡在较窄的波长范围内引起折射率的 快速变化,这将有助于改变群速度。 图2 1 0 显示细菌视紫红质介质观察慢光的实验装置。调制频率范围从1 0 h z 龠 到2 5 0 h z ,而调制深度相应的从3 5 到3 。分光镜用于对光电调制器的输出取 样。以反射光束作为基准臂,发射光束( 信号臂) 穿过于l 厘米的含有b r 溶液 的样品细胞。用相同的光电二极管探测信号和参考调幅光束,并将它们供给到多 信道示波器。为了确保信号强度与示波器上的规格相符,在探测器前面放置一个 中性密度滤波器。 图2 1 0 利用细菌视紫红质介质观察慢光的实验装置 1 5 华东师范大学硕士学位论文w d m 系统中相干粒子数震荡效应诱导的慢光现象 基于c p o 原理诱导慢光技术最大的优点在于可在室温下实现,并且它对于 光速的可控范围更广,产生的光延迟更大。c p o 产生的光延迟可以达到毫秒数 量级,而s b s 产生的延迟目前只能达到纳秒数量级。本文主要介绍c p o 效应诱 导慢光现象。 2 3w d m 系统 所谓w d m ( w a v e l e n g ld i v i s i o nm u l t i p l e 虹n g ) 是将两种或多种不同波长 的光载波信号( 携带各种信息) 在发送端经复用器( 亦称合波器,m u l t i p l e x e r ) 汇 合在一起,并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术;在接收端,经 解复用器( 亦称分波器或称去复用器,d e m u l t i p l e x e r ) 将各种波长的光载波分 离,然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同根光纤中同时 传输两个或众多不同波长光信号的技术,称为波分复用。 图2 1 1 w d m 系统组成 w d m 本质上是光域上的频分复用f d m 技术。每个波长通路通过频域的分 割实现,每个波长通路占用一段光纤的带宽。w d m 系统采用的波长都是不同的, 也就是特定标准波长。 通信系统的设计不同,每个波长之间的间隔宽度也有不同。按照通道间隔的 不同,w d m 可以细分为c w d m ( 叠蕴遮坌复旦) 和d w d m ( 蜜塞逵坌复旦) 。 c w d m 的信道间隔为2 0 i l m ,而d w d m 的信道间隔从o 2 n m 到1 2 l l m ,所以相 对于d w d m ,c w d m 称为稀疏波分复用技术。 w d m 系统本质上是光域上的模拟系统,w d m 技术第一次把复用方式从电 域转移到光域,在光域上用即频率复用的方式提高传输速率,光信号实现了直接 华东师范大学硕士学位论文w d m 系统中相干粒子数震荡效应诱导的慢光现象 复用和放大,而不再回到电信号上处理,因而大大增加了光电器件,而且光模拟 系统的性能很大程度上取决于各器件的特性。相对于s d h 系统,w d m 系统增 加了波分复用器( 解复用器) 、光放大器等器件,另外对激光器信号的波长准确 性和稳定性也提出了较高的要求。 w d m 系统基本上由光发射、光接收、光传输、光监控和网管5 部分组成。 发射部分是w d m 系统的核心。对于开放式的w d m 系统,发射部分主要包 括o t u 和合波器。合波器合成的多路光信号通过光功率放大器放大,然后输出 到光纤中传输。 传输部分主要是光纤和光放大器,目前使用的光放大器大多数为e d f a 。 在接收端,光前置放大器放大经传输而衰减的多路光信号,然后由分波器将多 路光信号分离开来。 光监控部分主要是光监控信道( o s c ) 的物理层和帧结构。o s c 的主要功能是 监控系统内各信道的传输情况,帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等 都是通过光监控信道来传输的。 网管系统利用o s c 的物理层传送开销字节到其他节点或接收来自其他节点 的开销字节,对w d m 系统进行网元级的管理,实现配置管理、故障管理、性能 管理和安全管理等功能,并与上层管理系统( 如n 刑) 相连。 w d m 系统有双纤单向传输和单纤双向传输两种基本形式。 双纤单向传输的w d m 系统是指用两根光纤分别传输两个不同方向上的信号。 每一根光纤上传输的都是单向w d m 信号。由于该系统发送方向信号和返回方向 信号经由不同的光纤,不会产生串音,在两个方向上可以使用相同的设备,因而 系统设计简单,要求低,易于逐步升级扩容,所以得到了广泛的开发和应用。这 种方式的缺点是所用的光纤、放大器和其他的w d m 器件都是单纤双向方式的两 倍。 单纤双向传输的w d m 系统是指在一根光纤上同时向
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